Второе чрезвычайно важное обстоятельство, которое нужно учесть, заключается в том, что атомы находятся в постоянном тепловом движении. Мы же пока рассматривали испускание и поглощение фотонов покоящимися атомами.
При испускании фотона движущимся атомом его частота (энергия) может оказаться как больше частоты фотона, испущенного неподвижным атомом (если фотон испускается в направлении движения атома), так и меньше этой частоты (если фотон испускается в направлении, противоположном движению атома). Это изменение энергии фотонов, связанное с движением изучающего атома, называется эффектом Допплера. Величина изменения энергии ∆Ед называется допплеровским смещение н описывается очень простой формулой:
Д£п = — £ф cosф « — Е cosф, (4)
где Еф энергия фотона, испускаемого неподвижным атомом, u - скорость атома, с — скорость света, а ф — угол между направдением скорости атома и направлением испускания фотона.
Если поглощение фотона происходит движущимся атомом, то энергия фотона, необходимая для возбуждения атома, также оказывается зависящей от величины скорости атома и ее направления по отношению к направлению распространения фотона. Эта энергия будет больше Еф—энергии фотона, необходимой для поглощения его неподвижным атомом, если атом и фотон движутся в одну сторону, и меньше Еф, если фотон и атом движутся в противоположные стороны. В общем случае величина допплеровского смещения ∆Ед при поглощении фотона тоже описывается формулой (4), если ее правую часть взять со знаком минус.
Учет изменения энергий испускаемых и поглощаемых фотонов за счет эффекта Допплера, связанного с тепловым движением атомов, приводит к тому, что возможные значения Еф и Еф и в этом случае соответствуют рисунку 3.2, б, если на нем Г = ^Р£,
где vcp— средняя тепловая скорость атомов. Таким образом, резонансное поглощение в случае теплового движения атомов со средней скоростью vcpвыглядит точно так же, как испускание и поглощение фотонов неподвижными атомами с естественной шириной Г = ^ Е. Поэтому величину ^2 Е называют допплеровской шириной линии испускания и поглощения и обозначают Гд. Естественная ширина возбужденного уровня Г не зависит от температуры. Допплеровская ширина Гд увеличивается с повышением температуры, так как средняя тепловая скорость атомов возрастает по мере повышения,температуры. Если учесть одновременно естественную ширину возбужденного уровня Г и допплеровскую ширину Гд, то возможные значения энергий Еф и Еф будут соответствовать рисунку 3.2, в. Поскольку допплеровская ширина Гд возрастает с температурой, то перекрытие кривых на рисунке 3.2, в и резонансное поглощение фотонов увеличиваются с повышением температуры.